El error de tamaño de los productos plásticos se debe principalmente a la contracción del plástico durante el proceso de moldeo y a la inestabilidad de diversos factores que influyen. En pocas palabras, se trata de inyectar plástico calentado y derretido en un molde, y después de enfriarlo y darle forma, su volumen será menor que la cavidad del molde. La cantidad de reducción y la fluctuación del proceso determinan juntas la precisión del tamaño final.
En concreto, los errores provienen principalmente de los siguientes aspectos:
La causa fundamental de los errores de tamaño del plástico radica, ante todo, en las propiedades físicas de sus materiales poliméricos. Desde el llenado de moldes a alta-temperatura hasta la solidificación a temperatura ambiente, el volumen de plástico fundido inevitablemente se contraerá, lo que se denomina contracción del moldeo. No es un valor fijo, sino una variable influenciada por múltiples factores.
Comportamiento de cristalización y efecto de orientación de la resina: para plásticos cristalinos como PA66 y POM, las cadenas moleculares se organizarán de manera regular para formar una red durante el enfriamiento y el volumen específico cambiará dramáticamente. La tasa de contracción suele estar entre 1,5% y 3,0% y la amplitud de fluctuación es grande; Los plásticos no cristalinos (como ABS y PC) tienen una congelación desordenada de la cadena molecular, una tasa de contracción más baja (aproximadamente 0,4% ~ 0,8%) y una garantía de tamaño más fácil. Además, durante el llenado del molde fundido, las cadenas moleculares se estiran a lo largo de la dirección del flujo, y esta orientación congelada provocará una relajación de la tensión después del desmolde, lo que dará como resultado una contracción inconsistente entre la dirección del flujo y la dirección vertical del producto, es decir, anisotropía. Ésta es la causa interna profunda de la deformación por deformación del producto.
La influencia del estado de la materia prima y los materiales reciclados: el contenido de humedad de las materias primas puede cambiar la viscosidad de la masa fundida, especialmente para materiales que absorben humedad como la PA, donde la humedad actúa como plastificante y aumenta la tasa de contracción del moldeo. Al mismo tiempo, agregar materiales reciclados cambiará el índice de fusión debido a la rotura de la cadena molecular. Si se mezclan de manera desigual, las tolerancias dimensionales del mismo lote de productos se dispersarán significativamente.
2, Fabricación y estructura del molde: "techo físico" de precisión
La cavidad del molde es el "maestro" del producto, pero la precisión de fabricación y el estado mecánico del propio maestro determinan el límite superior del tamaño del producto.
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Tolerancia y compensación de procesamiento insuficientes
Inevitablemente existen tolerancias de procesamiento mecánico en la fabricación de moldes y, lo que es más importante, si no se tiene en cuenta la tasa de contracción durante el diseño (como no considerar la orientación de las fibras de vidrio o la contracción posterior a la extrusión), incluso si el molde se procesa al nivel micrométrico, el producto final seguirá siendo un desperdicio con una gran desviación.
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Deformación rígida y desgaste.
La presión de inyección suele alcanzar decenas de megapascales. Si la rigidez del molde es insuficiente, la cavidad del molde sufrirá una expansión elástica bajo alta presión, lo que dará como resultado un aumento del espesor de la pared del producto. Al mismo tiempo, para los plásticos con fibra de vidrio (GF) añadida, la superficie de la cavidad del molde será erosionada por la masa fundida, lo que provocará un desgaste abrasivo. Después de una producción a largo plazo-, el tamaño de la cavidad del molde aumentará y el espesor de la pared del producto también aumentará en consecuencia. Además, el desgaste del mecanismo de guía puede causar una desalineación del molde, lo que resulta directamente en desviaciones dimensionales geométricas irreversibles.
variables de proceso transitorias
Los parámetros del proceso son las variables más activas y que cambian con más frecuencia en el proceso de moldeo por inyección, y determinan directamente el comportamiento del flujo, la velocidad de enfriamiento y el estado de contracción de la masa fundida en la cavidad del molde. Entre ellos, la sinergia y el juego de la temperatura, la presión y el tiempo constituyen las fuentes dinámicas de los errores de tamaño.
El control de temperatura recorre todo el proceso de moldeo por inyección, incluida la temperatura del cilindro, la temperatura de la boquilla y la temperatura del molde. La temperatura del molde es el parámetro de temperatura que tiene mayor impacto en la precisión dimensional del producto. La temperatura del molde controla directamente el proceso de enfriamiento y conformación del producto. Durante el período que va desde la congelación del bebedero hasta el desmolde del producto, la temperatura del molde determina la cristalinidad del plástico cristalino. A medida que aumenta la temperatura del molde, aumenta la cristalinidad y se intensifica la contracción. Pero si la temperatura del molde es demasiado baja o desigual, un enfriamiento insuficiente del producto también puede provocar inestabilidad dimensional. Para el moldeo por inyección de precisión, la temperatura del molde debe controlarse con precisión dentro de un rango específico (como 35-45 grados C) para controlar la contracción dimensional dentro de los indicadores calificados.
La temperatura del barril de material es otra variable clave. Si la temperatura es demasiado alta (superando el rango de procesamiento recomendado de 5 a 10 grados C), la viscosidad del plástico fundido disminuirá y la fluidez será demasiado fuerte. Durante la etapa de enfriamiento, el espacio libre para el movimiento de la cadena molecular aumentará, la tasa de contracción aumentará y la desviación de tamaño puede alcanzar el 0,1% -0,3%; Si la temperatura es demasiado baja, la fluidez de la masa fundida es deficiente, el llenado es insuficiente y el tamaño del producto tiende a ser más pequeño.
Entre numerosos parámetros del proceso, la presión de mantenimiento tiene el mayor impacto en el tamaño del producto. Durante la etapa de presión de mantenimiento, se utiliza el reabastecimiento continuo de material en la cavidad del molde para compensar la contracción por enfriamiento. - una presión de mantenimiento insuficiente puede provocar una contracción excesiva y dimensiones más pequeñas; Una presión excesiva puede dar como resultado productos de gran tamaño o incluso bordes rebajados. Los datos prácticos muestran que por cada fluctuación de 10 MPa en la presión de mantenimiento, la desviación dimensional de algunas piezas de plástico de precisión puede aumentar en más de 0,02 mm. El estudio también muestra que cuanto más delgada es la pared de la pieza moldeada, mayor es el impacto de la presión de retención sobre el tamaño. Tampoco se puede ignorar el tiempo de espera. Si el tiempo es demasiado corto, no puede compensar eficazmente la contracción y si el tiempo es demasiado largo, puede provocar un llenado excesivo.
La presión y la velocidad de inyección afectan principalmente a la etapa de llenado. La presión de inyección es demasiado baja, lo que dificulta que la masa fundida llene completamente la cavidad del molde, especialmente para estructuras complejas de paredes delgadas-que son propensas a disparos cortos; Una mayor velocidad y presión de inyección, combinadas con un tiempo de llenado y retención adecuadamente prolongado, son beneficiosas para superar los fallos de inestabilidad de tamaño.
El impacto de la velocidad de inyección es más sutil. La inyección a alta velocidad provocará un fuerte flujo de corte de la masa fundida en el canal y la cavidad, lo que provocará un aumento de la temperatura local y una disminución de la viscosidad debido al calentamiento por corte. Sin embargo, al mismo tiempo, el campo de flujo cortante induce la orientación de las cadenas de polímeros a lo largo de la dirección del flujo. Esta orientación congelada conduce a una relajación de la tensión después del desmolde, lo que da como resultado diferentes cantidades de contracción del producto en la dirección del flujo y en la dirección perpendicular -, es decir, contracción anisotrópica. Esta es una de las causas subyacentes de la deformación y deformación del producto.
Todos los parámetros del proceso deben controlarse estrictamente de acuerdo con los requisitos del proceso, especialmente el ciclo de moldeo de cada tipo de pieza de plástico debe ser consistente y no puede cambiarse arbitrariamente. Cualquier pequeña fluctuación de temperatura, presión y tiempo se reflejará en la tolerancia dimensional final a través de efectos acumulativos.
El 'techo de hardware' de los errores dimensionales
La precisión de la máquina de moldeo por inyección determina si las instrucciones del proceso se pueden ejecutar fielmente y es la base física de la precisión dimensional. Si la precisión del equipo en sí es insuficiente, ni siquiera los parámetros de proceso más precisos pueden convertirse en productos calificados.
El moldeo por inyección de precisión requiere que el sistema de control de la máquina de moldeo por inyección garantice una buena repetibilidad de varios parámetros del proceso. Esto requiere un control de retroalimentación de varias etapas de los parámetros del proceso, como el volumen de inyección, la presión de inyección, la velocidad de inyección, la presión de retención, la contrapresión y la velocidad del tornillo, mientras que los controladores PID se utilizan para un control preciso de la temperatura del cilindro y la boquilla.
Las modernas máquinas de moldeo por servoinyección de alta gama pueden lograr una precisión de repetibilidad del peso de menos del 3 ‰ y una precisión de apertura del molde de ± 0,2 mm mediante un control de bucle cerrado. El control de bucle cerrado-del sistema de inyección puede incluso lograr una precisión de posicionamiento repetido de 0,01 mm. A modo de comparación, el tiempo de respuesta del cambio de acción de inyección de una máquina de moldeo por inyección normal es de aproximadamente 300 ms, mientras que una máquina de moldeo por inyección de ultraprecisión de circuito completamente cerrado-es mucho mejor que este nivel.
El sistema hidráulico es el corazón de potencia de la máquina de moldeo por inyección. Las máquinas de moldeo por inyección de precisión generalmente requieren un control de circuito cerrado- de calentamiento y enfriamiento del aceite hidráulico para estabilizar la temperatura del aceite en alrededor de 50 a 55 grados C, a fin de evitar las fluctuaciones de viscosidad y caudal causadas por cambios en la temperatura del aceite, que pueden provocar inestabilidad en los parámetros del proceso. El avanzado sistema servohidráulico puede lograr un control de la fluctuación de presión por debajo de ± 0,5 bar y la precisión de repetibilidad del eje de movimiento principal alcanza ± 0,05 %. Se requiere que la precisión del sensor de desplazamiento sea de al menos 0,1 mm para controlar estrictamente la carrera de medición, la carrera de inyección y el espesor de la almohadilla de material residual, asegurando un volumen de inyección preciso cada vez.
La presión de inyección requerida para el moldeo por inyección de precisión es mucho más alta que la del moldeo por inyección ordinario - el moldeo por inyección ordinario requiere 40-120 MPa, mientras que el moldeo por inyección de precisión requiere un aumento a 180-250 MPa, y algunos incluso hasta 415 MPa. Bajo una presión de moldeo tan alta, si la rigidez del sistema de sujeción de la máquina de moldeo por inyección es insuficiente, la plantilla sufrirá una deformación elástica, lo que provocará que la superficie de separación del molde se abra y el producto produzca rebabas, lo que resultará en una disminución de la precisión. Por lo tanto, un diseño de plantilla de alta rigidez y una distribución uniforme de la fuerza de bloqueo son requisitos previos para garantizar la precisión.
El desgaste de tornillos y cilindros es una causa común de degradación de la precisión del equipo. Especialmente el anillo anti-retroceso (también conocido como anillo de goma), se desgasta severamente después-de la producción a largo plazo de materiales de relleno reforzados (como la fibra de vidrio). Un sellado deficiente del anillo antiinversión puede provocar que la masa fundida refluya durante la inyección, lo que provoca mediciones inestables y fluctuaciones en el punto final de la inyección. Esto se refleja directamente en la dispersión del peso de cada producto moldeado y las diferencias de tamaño entre lotes.
5. Interferencia ambiental: 'variables externas' ocultas y persistentes
Los factores ambientales son las variables que más fácilmente se pasan por alto, pero que influyen continuamente en el proceso de moldeo por inyección.
1. Fluctuaciones estacionales de la temperatura ambiental
Los cambios de temperatura en el ambiente del taller afectan directamente la eficiencia de enfriamiento del molde y el control de la temperatura de la masa fundida. La diferencia de temperatura entre el día y la noche puede hacer que el molde se expanda y contraiga repetidamente, y el control de temperatura del controlador de temperatura del molde se ve afectado por interferencias ambientales, lo que resulta en una contracción inestable y fluctuaciones en el tamaño de los productos en el mismo lote. Los datos de medición reales muestran que por cada aumento de 5 grados C en la temperatura ambiente, la tasa de desviación de tamaño de los productos de material PP aumenta en un 12% -15%. Tomando como ejemplo los materiales de PC, por cada cambio de temperatura de 5 grados C, la desviación dimensional puede alcanzar el 0,05% -0,1%. Las piezas moldeadas por inyección producidas en entornos de baja temperatura generalmente presentan fenómenos como tamaño reducido y aumento de deformación. Esto requiere que los fabricantes ajusten la temperatura del proceso de los equipos y moldes de manera oportuna de acuerdo con los cambios en el entorno externo.
2. Expansión de materiales por humedad y absorción de humedad.
The influence of humidity on plastic size is also significant. Polyamide materials, represented by nylon (PA), contain polar amide groups in their molecular chains and are easily bound to water molecules. The equilibrium moisture content of non reinforced PA6 or PA66 can reach 3% under standard atmospheric conditions (23 ° C, 50% RH). In high humidity environments (relative humidity>60%), la expansión del tamaño puede alcanzar el 0,2% -0,5%. Cuando la humedad cambia en un 10%, la fluctuación de tamaño de los materiales de nailon puede alcanzar entre 0,1% y 0,3%.
Lo que es aún más complicado es que la absorción de humedad y la expansión de ciertos materiales exhiben características anisotrópicas - cuanto mayor es la humedad ambiental y cuanto mayor es el tiempo, mayor es el tamaño del material PA66 reforzado con fibra de vidrio, y el cambio de tamaño en la dirección del flujo vertical es mayor que en la dirección del flujo. Esto significa que incluso con el mismo material y producto, la respuesta de diferentes dimensiones a la humedad varía en diferentes direcciones, lo que plantea desafíos adicionales al diseño de accesorios de precisión.
3. Deformación térmica de los equipos.
La deformación térmica causada por el funcionamiento-largo plazo del equipo también puede provocar desviaciones dimensionales. Los diversos componentes de la máquina de moldeo por inyección se expanden debido al calor por fricción durante el funcionamiento continuo, lo que puede cambiar parámetros clave como la precisión de sujeción del molde y la carrera de inyección. Esta deriva lenta y continua suele ser difícil de detectar inmediatamente para los operadores.
6, Lógica de Control del Sistema
En resumen, los parámetros del proceso de moldeo por inyección, la precisión del equipo y la interferencia ambiental no son efectos aislados, sino más bien un sistema dinámico que se acopla y transmite capa por capa. Los parámetros del proceso son "reguladores de tiempo real-, la precisión del equipo es "garantía de ejecución" y el entorno es "ruido de fondo". Para garantizar la precisión dimensional, se debe establecer una mentalidad de control sistemático: seleccionar máquinas de moldeo por inyección de circuito cerrado- de alta-precisión y darles mantenimiento periódico; Adoptar la máquina de temperatura del molde y el sistema de control de temperatura del taller para aislar la interferencia ambiental; Implementar un estricto tratamiento de control de humedad y secado para materiales sensibles (como PA); Y monitorear continuamente la estabilidad de los parámetros del proceso a través del Control Estadístico de Procesos (SPC). Sólo controlando estas tres dimensiones como un todo orgánico se pueden comprimir de forma continua y estable los errores objetivos dentro de la zona de tolerancia de diseño.
